大型螺旋槳雙機(jī)器人自動磨削系統(tǒng)的研究

劉曉飛，張 堃，王志剛，郭曉艷

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528437）

0 引言

對于大型螺旋槳鑄造毛坯件，在人工去除較大的澆冒口后，在工件邊緣、分模線、孔型或窗口結(jié)構(gòu)處還會殘留有大量的毛刺、批鋒，一般還要經(jīng)過人工打磨清理后才能進(jìn)行后續(xù)工藝處理。人工打磨會產(chǎn)生嚴(yán)重的粉塵污染和噪聲污染，對操作工人身體健康有較大影響。而且由于大型鑄造毛坯件一般外形尺寸偏差較大，鑄造殘余較多，毛刺批鋒的位置、尺寸情況復(fù)雜，運(yùn)用一般自動化技術(shù)難以處理。

為解決以上問題，研發(fā)了大型船用螺旋槳機(jī)器人磨削系統(tǒng)。該設(shè)備是一種大型螺旋槳鑄造毛坯件機(jī)器人自動清理設(shè)備。本文針對大、中型復(fù)雜曲面銑削加工及研磨拋光研發(fā)的智能磨削機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)配備工業(yè)機(jī)器人、力/位混合控制裝置、視覺裝置、離線軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和雙面研磨拋光技術(shù)，沿行走滑臺移動，攜帶具備自動換刀功能的電主軸配合回轉(zhuǎn)主軸箱變位功能對槳葉曲面進(jìn)行銑削加工及研磨拋光。成功地解決手工打磨加工一致性和精度差等問題，改善工人的操作環(huán)境及提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人、PLC控制系統(tǒng)、自動上下料滑臺、大功率電主軸、3D視覺系統(tǒng)、專用磨具、自動刀具庫、排屑機(jī)、除塵器、外防護(hù)板房等部分組成，如圖1所示。工作時，由上下料滑臺將放置好的待處理鑄造毛坯件送入封閉的防護(hù)板房內(nèi)，機(jī)器人帶動3D視覺系統(tǒng)對毛坯件進(jìn)行掃描，辨識記錄毛坯件毛刺批鋒的位置、尺寸信息，并根據(jù)所得信息自動生成機(jī)器人打磨路徑，然后機(jī)器人帶動電主軸按照程序自動生成的路徑，選用不同的專用磨具，完成鑄造毛坯件的打磨清理工作。該套設(shè)備自動化程度高，適應(yīng)性強(qiáng)，只需簡單調(diào)整即可適應(yīng)相似類型不同型號的螺旋槳毛坯件。整個毛坯件的打磨清理工作都在封閉防護(hù)板房內(nèi)完成，可有效隔離噪聲，打磨過程中產(chǎn)生的碎屑和粉塵通過排屑機(jī)、除塵器等設(shè)備進(jìn)行過濾回收再利用，可以顯著提高工廠自動化程度、改善工廠環(huán)境，降低工人勞動強(qiáng)度，節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 機(jī)器人視覺系統(tǒng)

三維激光掃描儀工作過程中，使用非接觸的三維激光測量設(shè)備獲取螺旋槳曲面上點(diǎn)的三坐標(biāo)值。掃描儀對螺旋槳的表面完成掃描測量，得到的大量表面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)是進(jìn)行三維建模的主要依據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行預(yù)處理，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理包括對原始數(shù)據(jù)的評估和數(shù)據(jù)濾波。處理測量不到位、不準(zhǔn)確和重復(fù)的問題，數(shù)據(jù)濾波可以去掉測量中存在的瑕疵，取得優(yōu)化后的測量數(shù)據(jù)[1]。然后進(jìn)行點(diǎn)云分割，是對預(yù)處理的數(shù)據(jù)按照交互方式、自動方式和人工介入的方式，同時依據(jù)曲面形體特征，截取數(shù)據(jù)型面，為曲面重構(gòu)做準(zhǔn)備。特征型面的截取方向和密度根據(jù)曲面類型和精度要求而定。最后曲面重構(gòu)，得到重構(gòu)物體表面的一個簡潔和精確的近似。通過圖像處理系統(tǒng)即可快速完成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲處理、特征檢測、數(shù)據(jù)簡化、參數(shù)化和曲面重建等工作[1]，如圖2所示。

圖2 三維激光維掃描儀系統(tǒng)

系統(tǒng)由高分辨率工業(yè)攝像頭、高精度激光測距儀和圖像處理器組成，可為機(jī)器人提供目標(biāo)信息并對目標(biāo)進(jìn)行非接觸式測量。利用視覺計算出進(jìn)給信息并進(jìn)行末端糾偏找正，工件無需精確定位。采用高精度三激光維掃描儀與機(jī)器人結(jié)合技術(shù)。機(jī)器人攜帶三維激光掃描儀（圖3），可以對船用螺旋槳曲面進(jìn)行快速掃描，從而取得螺旋槳表面的云點(diǎn)，根據(jù)弦長離散法處理三維信息缺失，完成掃描缺失區(qū)域的包容計算，通過重新規(guī)劃掃描路徑，機(jī)器人加激光三維掃描儀的方式，可以提高掃描效率與質(zhì)量[2]。利用機(jī)器人運(yùn)動的平穩(wěn)性和可操作性，完成被測曲面的有效掃描工作，使用機(jī)器人結(jié)合三維激光維掃描儀能快速準(zhǔn)確的取得三維點(diǎn)云坐標(biāo)值，螺旋槳實(shí)物的圖形圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)處理，可以快速得到螺旋槳的三維模型圖。同時因機(jī)器人加載三維掃描儀的運(yùn)動平穩(wěn)，減少了掃描過程中產(chǎn)生的沖擊和震動等問題，位置定位精準(zhǔn)，提高了三維激光掃描的精度。

圖3 激光掃描儀

2.2 離線軌跡規(guī)劃系統(tǒng)

用激光測量作為視覺自動識別確定工件的精確位置和公差，利用視覺軟件、三維模型重構(gòu)技術(shù)、高級算法實(shí)現(xiàn)智能生成機(jī)器人所要加工的程序，對每個工件在加工之前用激光測定工件的模型、尺寸、公差等實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時計算，在線實(shí)現(xiàn)動態(tài)自適應(yīng)修正加工的各種坐標(biāo)、參數(shù)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行加工。改系統(tǒng)在平面和空間打磨、拋光領(lǐng)域中是尖端、先進(jìn)的應(yīng)用系統(tǒng)。

具體過程是通過使用三維激光維掃描儀取得的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，得到螺旋槳葉片面的云點(diǎn)數(shù)據(jù)；把經(jīng)過處理得到的數(shù)據(jù)保存為igs格式文件，利用UG三維軟件繪制螺旋槳的三維模型。在機(jī)器人磨削加工的過程中，采用離線編程，軌跡規(guī)劃是根據(jù)磨削工作的實(shí)際需要，得出機(jī)器人的運(yùn)動路徑。由于離線編程的軌跡點(diǎn)精確，而且編程速度快，規(guī)劃時間短，能夠完成復(fù)雜軌跡的編程，這里采取離線編程的方式完成，離線編程方式是首先規(guī)劃好機(jī)器人的加工路徑，通過掃描螺旋槳取得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG后取得三維模型，通過軟件分析處理加工數(shù)據(jù)，得到刀位信息文件，讀取該文件后進(jìn)行優(yōu)化處理，得到機(jī)器人路徑文件，完成螺旋槳需要的加工軌跡規(guī)劃，提高了設(shè)備使用率，顯著提供了工作質(zhì)量和工作效率[3]，具體規(guī)劃過程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人加工路徑規(guī)劃

2.3 雙機(jī)器人加工系統(tǒng)

大型螺旋槳葉片是復(fù)雜的自由曲面零件（圖5），其磨削加工較為復(fù)雜。根據(jù)GB12916-2010國家標(biāo)準(zhǔn)和ISO484-1、ISO12916-2010國際標(biāo)準(zhǔn)，螺旋槳加工的精度等級可分為1、2、3、S四個等級，加工精度中的S級螺旋槳精度標(biāo)準(zhǔn)最高，界面厚度誤差0.5 mm，局部螺距誤差±1.5%，界面螺距誤差±1.0%，槳葉夾角誤差0.25°[4]。由于螺旋槳的性能指標(biāo)直接影響了船舶運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、承載性、動能性、聲噪性等問題，所以對精度的要求顯得尤為重要。

針對螺旋槳葉片型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面精整加工后尺寸精度難以把控的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了運(yùn)用雙機(jī)器人磨削系統(tǒng)對螺旋槳表面進(jìn)行打磨，提高了加工工作的靈活性、適應(yīng)性。系統(tǒng)配備2套工業(yè)專用銑削機(jī)器人，對稱布置在曲面零件兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)雙面同時加工及研磨拋光等功能，適應(yīng)區(qū)域廣泛，效率更高，如圖6所示。

圖5 大型螺旋槳

圖6 雙機(jī)器人加工

2.4 機(jī)器人滑臺系統(tǒng)

機(jī)器人滑臺采用鑄件床身、高精線軌、伺服及全閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足機(jī)器人直線運(yùn)動高精定位及重復(fù)定位精度，如圖7所示。通過PLC的高性能、高靈活性、高適應(yīng)性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滑臺的左右滑動。進(jìn)而確保機(jī)器人運(yùn)動中的平穩(wěn)性和精確性。通過三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成滾珠絲杠的水平運(yùn)動，完成機(jī)器人沿導(dǎo)軌的前進(jìn)與后退移動，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高、速度快[5]。

圖7 機(jī)器人滑臺

2.5 回轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)參考臥式車床結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)零件裝卡、定位、旋轉(zhuǎn)定位、承重等功能；如圖8和圖9所示，回轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)參考臥式車床結(jié)構(gòu)，主軸控制箱控制中心軸的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳按照設(shè)計的要求轉(zhuǎn)動一定的角度，這樣被磨削葉片可以達(dá)到工作指定位置，支撐架安裝在導(dǎo)軌上，通過絲杠，可以向左向右運(yùn)動，推動卡盤，對螺旋槳進(jìn)行夾緊與固定?？ūP對螺旋槳起到抓夾與固定的作用，類似車床機(jī)頭卡盤，根據(jù)螺旋槳漿榖的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。適合多種漿榖直徑的要求。

圖8 回轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

圖9 回轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)示意圖

2.6 自動換刀裝置

機(jī)器人末端工具配備了力/位混合控制裝置、視覺裝置、工具快換裝置、自動換刀裝置。帶有刀庫和刀具交換裝置的自動換刀系統(tǒng)，是加工的重要組成部分。自動換刀系統(tǒng)是整機(jī)的重要關(guān)鍵部，配置工具快換裝置、自動換刀裝置能大大縮短螺旋槳的磨削時間。自動換刀裝置一般由3個部分組成，分別是刀庫、控制裝置，通過換刀機(jī)器人對新舊刀具進(jìn)行交換。機(jī)器人能自動完成對刀具的裝卸工作[6]。自動換刀裝置減少了裝夾時間、減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時間。砂輪的自動更換技術(shù)可以使磨削加工具有高效性、高精度性、高復(fù)合性等特點(diǎn)。系統(tǒng)所具有磨削工具的自動交換或自動選擇的機(jī)能，選取了使用自動換刀刀柄形式的更換砂輪技術(shù)，設(shè)備設(shè)計包括手爪立臥轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)以及其導(dǎo)向裝置等配套系統(tǒng)等，如圖10所示。

圖10 自動換刀裝置

3 結(jié)束語

工業(yè)機(jī)器人與智能制造是當(dāng)下的先進(jìn)生產(chǎn)力，是經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的發(fā)動機(jī)。鑄造行業(yè)是我國的基礎(chǔ)工業(yè)，近年來產(chǎn)量規(guī)模不斷增大，但是在鑄件清理方面，我國的大型鑄件打磨清理領(lǐng)域完全采用人工作業(yè)方式。在大型鑄件打磨清理領(lǐng)域“機(jī)器換人”迫在眉睫。本文針對大、中型復(fù)雜曲面加工及研磨拋光研發(fā)的智能磨削機(jī)器人系統(tǒng)，成功地解決手工打磨加工一致性和精度差等問題，改善工人的操作環(huán)境及提高生產(chǎn)效率；6軸工業(yè)機(jī)器人配備力/位混合控制裝置、視覺裝置、離線軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和雙面研磨拋光技術(shù)，沿行走滑臺移動，攜帶具備自動換刀功能的電主軸配合回轉(zhuǎn)主軸箱變位功能對槳葉曲面進(jìn)行加工。加工后產(chǎn)品完全滿足大型復(fù)雜曲面的自動化打磨要求。